Предмет и задачи космической навигации (КН) (стр. 11 )

Объединение всей информации. Сложный сигнал GPS, передаваемый спутником, состоит, таким образом, из несущих колебаний, модулированных псевдошумовыми дальномерными C/A и Р(Y) кодами, а также навигационным сообщением. Объединение всех этих компонент проиллюстрировано на рис. 5.15. Как уже упоминалось, сигнал L1 модулируется и C/A-кодом, и P-кодом таким образом, чтобы два кода не интерферировали друг с другом. Это достигается модуляцией одного кода синфазно, а другого – в квадратуре, то-есть они смещены относительно друг друга на 90°.

Рис. 5.15. Объединение компонент сигналов GPS на частоте L1.

Сложный сигнал передается массивом имеющих лучевую форму антенн, расположенных со стороны надира спутника. Уровни мощности передаваемых сигналов равны +23.8 дБВ и +19.7 дБВ для сигнала зашифрованного Р-кода соответственно на L1 и L2 и +28.8 дБВ для сигнала C/A кода на L1 [Teunissen et al. 1998]. Массив излучает для пользователей на земной поверхности или вблизи нее с почти одинаковой мощностью по крайней мере -163 дБВ и -166 дБВ соответственно для сигналов зашифрованного Р-кода на L1 и L2 и -160 дБВ для сигналов C/A кода L1. Действительные уровни принятых сигналов могут больше, чем эти значения по множеству причин, включая изменения выходной мощности передатчика спутника. Ожидается, что максимальные уровни принятых сигналов не превысят -155.5 и -158.0 дБВ соответственно для сигналов зашифрованного Р-кода на L1 и L2 и -153.0 дБВ для C/A кода L1.

Представив, что GPS - дальномерная система, мы могли бы считать, что спутники просто передают сообщение в кодированной форме. Биты сообщения замаскированы чипами PRN кода. Эффект от этой маскировки увеличивает ширину пропускания сигнала. Вместо того, чтобы занимать только часть от одного килогерца, сигнал расширяется до 20 МГц. Внутри GPS приемника операция совмещения кода сужает сигнал, позволяя делать восстановление сообщения. Ясно, что это можно сделать, если приемник знает правильные коды. Операция сужения наоборот растягивает любой мешающий сигнал, значительно уменьшая его влияние. Это есть общепринятая техника, особенно в военной области, для обеспечения безопасности и борьбы с интерференцией и известна как связь с прямым последовательным широким спектром. Сигналы широкого спектра имеют дополнительное свойство ограничения интерференции (помех) от сигналов, отраженных ближайшими объектами (многопутность).

Сигнал L1, переданный спутником GPS, можно представить в форме уравнения как

(5.6)

где Ap и Ac - амплитуды соответственно для компонент зашифрованного Р-кода и C/A кода,

Pi (t) - представляет Р-код спутника i,

Wi(t) - представляет код шифрования. Yi(t)=Pi(t)Wi(t),

Ci(t) - представляет C/A код спутника i,

Di(t) - представляет данные, передаваемые спутником i в транслируемом (навигационном) сообщении,

wi - частота L1,

fn, L1,i - является малым шумом фазы и компоненты дрейфа генератора.

Подобным образом можно представить сигнал L2, передаваемый спутником i, как

, (5.7)

где Вр - амплитуда сигнала L2.

5.2.7 Модернизация GPS

Цели модернизации. После полного развертывания системы GPS, которое было выполнено в 1995 г., федеральная политика и планирование для GPS и направления по ее улучшению были определены в Президентской директиве 1996 г. (Presidential Decision Directive NSTC-6). Считается, что Постановление Президента обеспечило стратегическое видение в управлении и использовании GPS для военных, гражданских, коммерческих, и научных интересах, как национальных, так и международных. Президентское постановление отводит определенные роли и обязательства Министерству Обороны, Министерству Транспорта и Государственному Департаменту. В дальнейшем это позволило Министерству обороны и Министерству транспорта под председательством Межведомственного исполнительного совета GPS (Interagency GPS Executive Board, IGEB), управлять GPS и усиливать программы правительства США.

Первая встреча Совета IGEB состоялась в 1997. Главным предметом обсуждения на этой встрече был вопрос о потребности в дополнительных гражданских сигналах GPS, для улучшения обслуживающего обеспечения обширного массива гражданских и коммерческих пользователей. В результате IGEB согласился в течение года идентифицировать вторую гражданскую частоту. В объединении с попыткой уже осуществленной внутри Военно-Воздушных сил включить и гражданские и военные требования в обновленный документ по операционным требованиям к GPS, эти действия послужили основанием для текущей программы модернизации GPS. Она касается совершенствования в обслуживании как военных, так и гражданских пользователей.

В 1998 г. вице-президент Гор объявил, что на частоте 1227.6 MГц, известной как L2, будет передаваться второй гражданский сигнал. В настоящее время на этой частоте модулируется только P (Y) код, используемый американскими военными и другими зарегистрированными пользователями. (Y-код является зашифрованным точным Р - кодом, доступным только зарегистрированным пользователям.) Вице-президент также заявил, что в 2005 г. начнет передаваться третий гражданский сигнал, специально разработанный для безопасного обслуживания.

Поддержанная силами межведомственных рабочих групп, сформированных под руководством IGEB, частота третьего гражданского сигнала, теперь известного как L5, была отобрана в январе 1999 г. Сигнал L5 будет осуществляться на частоте 1176.45 MГц в блоке спектра, который предназначен для воздушной радионавигационной службы ARNS. Для любого сигнала, используемого в авиации для поддержания жизнеобеспечения, требуется назначение от ARNS. Окончательные изменения структуры GPS сигнала приведены на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Современная и модернизированная структура сигнала GPS [Shaw et al. 2000].

Рис. 5.17. Влияние отключения режима SA 2 мая 2000 г. на точность позиционирования в плане и по высоте [Shaw et al. 2000].

Режим селективного доступа. Первый существенный шаг в модернизации GPS для гражданских пользователей произошел, когда по постановлению Президента Клинтона был выключен режим селективного доступа (SA), в полночь по Восточному дневному времени США 1 мая 2000. Рис. 5.17 поясняет влияние этого важного момента. В таблице 5.3 даются оценки повышения точности абсолютных определений по С/А коду в условиях режима SA и без него.

Таблица 5.3. Состав ошибок в Стандартной службе позиционирования SPS с режимом SA и без него [Shaw et al. 2000].

Источник ошибок	Типичная величина ошибки в расстоянии 1s
Служба SPS с режимом SA	Служба SPS без режима SA
Зашумление в режиме SA	24.0 м	0.0 м
Ионосферная задержка	7.0	7.0
Тропосферная задержка	2.0	0.2
Ошибки часов и эфемерид	2.3	2.3
Шумы в приемнике	0.6	0.6
Многопутность	1.5	1.5
Полная ошибка в плановом положении при HDOP=1.5	22.5	8.5

После зашумления режимом SA следующим самым большим вкладом в составе ошибок GPS позиционирования является задержка сигнала, вызванная атмосферой Земли. (см. таблицу 5.3) Так как военные в настоящее время имеют полный доступ к двум сигналам и частотам через PPS, то они могут исправлять погрешности за ионосферу формированием линейной комбинации L1 и L2 измерений псевдодальности с математической оценкой и устранением почти всех ионосферных влияний из измерений L1. Чтобы компенсировать ошибки от ионосферы в гражданском применении, некоторые изготовители приемников разработали новые методы для использования компонентов зашифрованного сигнала Y-кода. Однако, для эффективного функционирования, эти так называемые полубезкодовые приемники требуют на частоте L2 значительно более высокого отношения уровня сигнала к уровню шума (SNR), чем у двухчастотного военного приемника в условиях PPS. Более высокое SNR может быть достигнуто при стационарном позиционировании, но многие ситуации препятствуют эффективному использованию этих методов. Например, когда приемник находится в движении, или присутствуют ионосферные разряды, приемник может терять способность следить за входящими сигналами и ему потребуется несколько минут, чтобы восстанавливать сигнал, необходимый для точного позиционирования. Точно такая же ситуация возникает, когда приемник должен видеть спутники через листву или в присутствии многопутности сигналов. Доступ гражданских пользователей к дополнительным кодовым сигналам будет давать возможность улучшить точность через ионосферную коррекцию для динамического использования даже в тяжелых условиях с интерференцией и многопутностью.

Третий гражданский сигнал должен передаваться спутниками Блока IIF и Блока III на частоте 1176.45 МГц (длина волны около 25.5 см), обозначаемой как L5. Сигнал L5 был специально разработан для улучшения характеристик текущего сигнала C/A-кода на L1. Мощность L5 будет увеличена на 6 dB по сравнению с мощностью текущего сигнала L1 (2154 dBW по сравнению с 2160 dBW). Она будет в равной мере распределена между синфазным (I) каналом передачи данных и свободным от данных квадратурным (Q) каналом, что улучшит сопротивление интерференции, особенно от импульсов другой системы, излучающей в том же самом диапазоне, что и L5. Свободная от данных составляющая нового сигнала также обеспечивает более надежное отслеживание фазы несущей, которое желательно для многих применений. Ширина диапазона радиопередачи минимум в 20 МГц и более высокая скорость квантования будет обеспечивать большую точность в присутствии шума и многопутности. Наконец, более длинный код, чем C/A-кода на L1 и L2, приведет к уменьшению самоинтерференции системы, вызванной кросс-корреляцией CDMA.

Как только ионосферные погрешности будут устранены с помощью наблюдений на двух частотах, главными источниками ошибок при GPS позиционировании становятся эфемериды и погрешности часов. С текущим GPS-созвездием ошибки часов и погрешности эфемерид будут приблизительно 1.8 и 1.4 метра (1s), что соответствует эквивалентной пользовательской ошибке в дальности (UERE) для объединенной погрешности в 2.3 метра (1s). Новый метод, называемый применением Инициативы Улучшенной Точности (AII), как ожидается, приведет к уменьшению погрешностей GPS часов и эфемерид в UERE приблизительно до 1.25 метра.

Для автономных (недифференциальных) оперативных GPS пользователей, добавление второго и третьего гражданского сигнала будет обеспечивать избыточность в сигналах, повышать доступность и целостность сигнала (своевременное обнаружение «нездорового» сигнала), снижать перерывы в обслуживании, и повышать сопротивление радиочастотным помехам.

Два новых дополнительных кодовых гражданских сигнала (C/A-код на частоте L2 и новый сигнал на частоте L5) помогут достичь высокой точности (рис. 5.18) в кинематических измерениях в реальном времени на коротких и длинных расстояниях. Такая точность необходима при посадке самолетов, управлении механизмами, производстве съемок, в картографировании, сельском хозяйстве, в научных исследованиях Земли.

Рис. 5.18. Улучшение точности в плане (в метрах) при абсолютном GPS позиционировании при вероятности 95%.

Военные цели модернизации. В дополнение к обеспечению SPS, постановление Президента от 1996 г. также обязывает Министерству обороны обеспечить для американских войск и других зарегистрированных пользователей Службу точного позиционирования (PPS). Позже были также разработаны меры по предотвращению использования GPS враждебными силами, которые гарантировали, чтобы Соединенные Штаты и их союзники удерживали военное превосходство без прерывания или ухудшения законного использования GPS гражданскими пользователями.

Это было представлено концепцией, что часто упоминаемой как «Three Р - Три П»:

- Protection - защита военных сил на театре военных действий,

- Prevention - предотвращение использования GPS противником,

- Preservation - сохранение услуг для гражданских пользователей вне театра военных действий.

Для успешного выполнения «Three Р», военные должны иметь возможность избирательно и локально лишать пользователей сигналов GPS, которые могли бы употребляться во вред в процессе обслуживания пользователей PPS, продолжающих боевые действия. Ключевую составляющую этой возможности представляет спектральное разделение гражданских и военных сигналов. В результате, модернизация GPS, ориентированная на оборону, сосредотачивается на обеспечении новых военных кодов, обычно упоминаемых как М-коды, которые будут «повторно использовать» участки спектра радиочастот, уже закрепленные за частотами L1 и L2 (см. рис. 5.7.).

Новые военные сигналы и структура кодов будут иметь улучшенную криптографическую защиту. Они также потребуют ввести изменения в навигационное сообщение. В соответствии с требованиями военных последующие GPS спутники будут разработаны с учетом передачи новых сигналов М-кода с более высокой мощностью для определенных районов. Предполагается, что для М-кодов необходима мощность на 20 dBW большая (2138 dBW), чем мощность существующего P (Y) кода. Эти усовершенствования будут обеспечивать американские войска и их союзников возрастающей бесперебойной возможностью и надежностью получения сигнала для военных действий во всем мире.

Модернизация Сегмента управления. Существенным компонентом полной программы модернизации является обновление сегмента управления. Эти усовершенствования включают:

- обновление станций слежения GPS и их наземных антенн новыми цифровыми приемниками и компьютерами;

- замена существующих компьютеров Главной станции управления сетью с распределенной архитектурой;

- применение инициативы улучшения точности (Accuracy Improvement Initiative, AII), объединение со спутниковой контрольной сетью ВВС, использование полных возможностей спутников Блока IIR;

- завершение полностью способной к работе дополнительной Главной контрольной станции (Alternate Master Control Station, AMCS) на базе ВВС в Ванденберге;

- добавление команд для спутников Блока IIF и функциональных возможностей управления.

Спутники GPS III. Текущая модернизация по орбитальной группировке GPS должна быть выполнена приблизительно к 2010 г. (с использованием 12 спутников GPS Блок IIF ). Для удовлетворения военных и гражданских требований до 2030, совет IGEB принял рекомендации Министерства Обороны по разработке нового поколения спутников (GPS III) и связанной с ним опорной наземной сети для использования после 2010.

Цель программы GPS III состоит в выработке организационного решения, которое удовлетворит текущие и будущие нужды военных и гражданских пользователей. Летом 2000 Министерство обороны приступило к рассмотрению исследований архитектурных концепций, которые улучшат и проверят правильность системных требований. Для военных, ключевое требование которых не будет выполнено, пока спутники Блок III не находятся на орбите - потребность в большей мощности сигнала М-кода (2138 dBW вместо 158 dBW), чтобы далее улучшить сопротивление случайным и преднамеренным помехам на географически ограниченной площади.

Исследования по архитектуре GPS III также направлено на концепции, которые оптимизируют стоимость (включая экономические выгоды), расписание, характеристики, риск, и технологические внедрения.

5.3 СТРУКТУРА РОССИЙСКОЙ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС

5.3.1 Космический сегмент ГЛОНАСС

Российская сетевая среднеорбитальная СРНС ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) предназначена для непрерывного и высокоточного определения пространственного положения, времени, а также скорости для различных видов потребителей в любой точке Земли и околоземного пространства.

Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1,2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает, при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:

- горизонтальных координат с точностью 50-70 м (вероятность 99,7%);

- вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99,7%);

- составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99,7%)

- точного времени с точностью 0,7 мкс (вероятность 99,7 %).

Эти точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений. Сигнал ВТ предназначен, в основном, для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям находится в стадии рассмотрения.

Орбитальная группировка ГЛОНАСС. Развертывание орбитальной группировки ГЛОНАСС началось с запуска первого спутника СРНС Космос 1октября 1982 г. В соответствии с указом Президента РФ официальное использование ГЛОНАСС началось с промежуточного созвездия спутников с 24 сентября 1993 г., а штатная эксплуатация системы началась с конца 1995 г., когда орбитальная группировка объединила 24 рабочих спутника. На начало 2003 г. уже был запущен 91 НКА (рис. 5.19а). Число рабочих спутников, находящихся на орбитах по данным бюллетеня КНИЦ МО РФ на 19.02.2004 равно 11, данные о них приводится в таблице 5.2 (http://www.rssi.ru/SFCSIC/nagu_w.txt).

а б

Рис. 5.19. (а) Спутник «Ураган» системы ГЛОНАСС (масса около 1400 кг, диаметр 2.35 м, длина с развернутой штангой магнитометра 7.84 м, ширина с развернутыми солнечными батареями 7.23 м). (б) Созвездие спутников ГЛОНАСС.

Таблица 5.4. Состояние орбитальной группировки ГЛОНАСС на 19.02.2004.

Системный номер ГЛОНАСС	Номер спутника Космос	Дата запуска	Дата ввода в эксплуатацию	Номер слота	Канал	Орбит. плоскость
80 (786)	2362	12.30.98	1.29.99	7	7	1
81 (784)	2363	12.30.98	1.29.99	8	8	1
83 (783)	2	10.13.00	1.5.01	18	10	3
84 (787)	2	10.13.00	11.4.00	17	5	3
85 (788)	2	10.13.00	11.21.00	24	3	3
86 (790)	2380	12.01.01	1.04.02	6	9	1
87 (789)	2381	1	1.04.02	3	12	1
88 (711)	2382	12.01.01	4.15.03	5	2	1
89 (791)	2394	12.25.02	1.21.03	22	10	3
90 (792)	2	12.25.02	1.31.03	21	5	3
91 (793)	2	12.25.02	1.31.03	23	11	3